KR20150082728A - 광검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광검출기에 관한 것이다. 본 발명의 광검출기는 제 1 유전체층, 제 1 유전체층의 상부에 형성된 그래핀 광 전송선로, 제 1 유전체층의 상부에 형성되고, 그래핀 광 전송선로를 따라 전송되는 광을 검출하는 그래핀 광검출기, 그래핀 광검출기 상부에 형성된 전기 배선들, 그래핀 광검출기의 양 끝단에 위치하고, 전기 배선들이 연결되는 금속 패드들, 및 그래핀 광 전송선로의 상부에 형성된 제 2 유전체층을 포함하고, 상기 그래핀 광검출기는 상기 그래핀 광 전송선로의 표면에 수평 방향으로 입사되는 광의 세기를 검출한다.
Description
본 발명은 광검출기에 관한 것으로서, 특히 그래핀 광 전송선로를 기반으로 하는 광검출기에 관한 것이다.
광검출기는 광의 세기를 검출하여 전기 신호를 발생하는 장치이다. 이러한 광검출기는 광 흡수도가 높은 그래핀(graphene)을 이용하여 구현될 수 있다. 이와 같이, 그래핀을 이용한 다양한 형태의 광검출기들이 있다.
하지만, 그래핀을 이용하여 구현된 광검출기들은 광의 세기를 검출하기 위해 그래핀의 표면에 수직한 방향으로만 광이 입사되어야 하는 문제점이 있었다. 또한, 그래핀을 이용하여 구현된 광검출기들 중에서 일부는 고비용을 갖는 광 도파로 구조를 부가적으로 구비해야하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 그래핀 광 전송선로의 표면을 기준으로 수평 방향으로 입사되는 광을 이용하여 광의 세기를 검출할 수 있는 광검출기를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 추가적인 광 도파로 구조를 필요로 하지 않는 광검출기를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 광검출기는 제 1 유전체층, 상기 제 1 유전체층의 상부에 형성된 그래핀 광 전송선로, 상기 제 1 유전체층의 상부에 형성되고, 상기 그래핀 광 전송선로를 따라 전송되는 광을 검출하는 그래핀 광검출기, 상기 그래핀 광검출기 상부에 형성된 전기 배선들, 상기 그래핀 광검출기의 양 끝단에 위치하고, 상기 전기 배선들이 연결되는 금속 패드들, 및 상기 그래핀 광 전송선로의 상부에 형성된 제 2 유전체층을 포함하고, 상기 그래핀 광검출기는 상기 그래핀 광 전송선로의 표면에 수평 방향으로 입사되는 광의 세기를 검출하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 금속 패드들은 상기 그래핀 광검출기를 기준으로 일 측면에 위치하고, 플러스 전극이 인가되는 제 1 금속 패드, 및 상기 그래핀 광검출기를 기준으로 다른 측면에 위치하고, 마이너스 전극이 인가되는 제 2 금속 패드를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 광검출기는 상기 제 1 금속 패드와 상기 그래핀 광 전송선로에 각각 연결되어 게이트 바이어스 전압을 인가하는 바이어스부를 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 전기 배선들은 상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 수직 방향으로 위치하고, 상기 제 1 금속 패드에 연결되는 제 1 전기 배선들, 및 상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 수직 방향으로 위치하고, 상기 제 2 금속 패드 에 연결되는 제 2 전기 배선들을 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 전기 배선들과 상기 제 2 전기 배선들은 상호 간에 일정 간격을 기준으로 맞물린 전극 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 전기 배선들은 그래핀 광 전송선로를 기준으로 수직 방향으로 위치하고, 상기 제 1 금속 패드에 연결된 제 1 기준 전기 배선, 상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 수직 방향으로 위치하고, 상기 제 2 금속 패드에 연결된 제 2 기준 전기 배선, 상기 제 1 기준 전기 배선에 연결되고, 상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 수평 방향으로 위치하는 제 1 전기 배선들, 및 상기 제 2 기준 전기 배선에 연결되고, 상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 수평 방향으로 위치하는 제 2 전기 배선들을 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 전기 배선들과 상기 제 2 전기 배선들은 상호 간에 일정 간격을 기준으로 맞물린 전극 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 금속 패드와 상기 제 1 금속 패드에 연결된 전기 배선들과, 상기 제 2 금속 패드와 상기 제 2 금속 패드에 연결된 전기 배선들은 상호 간에 서로 다른 단일 금속 또는 상기 단일 금속들의 서로 다른 결합 구조로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 서로 다른 금속들의 결합 형태는 금속 합금 또는 금속 적층 구조를 갖는 결합 형태를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 단일 금속은 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 납(Pb), 및 금(Au) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 그래핀 광 전송선로와 상기 그래핀 광검출기는 동일한 그래핀 필름에서 동시에 제작된 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 그래핀 광검출기는 상기 그래핀 광 전송선로와 일정 간격 이격되고, 상기 그래핀 광 전송선로와 상호 간에 십(+)자 형태로 교차되고, 상기 금속 패드들 사이를 연결하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 광검출기는 상기 그래핀 광검출기와 상기 그래핀 광 전송선로 사이에 위치한 중간 유전체층을 더 포함한다.
본 발명에 따른 광검출기는 제 1 유전체층, 상기 제 1 유전체층의 상부에 형성된 그래핀 광 전송선로, 상기 제 1 유전체층의 상부에 형성되고, 상기 그래핀 광 전송선로를 따라 전송되는 광을 검출하는 그래핀 광검출기, 상기 그래핀 광검출기의 양 끝단에 위치하고, 상기 그래핀 광검출기를 통해 연결되는 금속 패드들, 및 상기 그래핀 광 전송선로의 상부에 형성된 제 2 유전체층을 포함하고, 상기 그래핀 광검출기는 상기 그래핀 광 전송선로의 표면에 수평 방향으로 입사되는 광의 세기를 검출하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 금속 패드들은 상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 측면에 위치하고, 플러스 전극이 인가되는 제 1 금속 패드, 및 상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 다른 측면에 위치하고, 마이너스 전극이 인가되는 제 2 금속 패드를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 금속 패드와 상기 제 2 금속 패드는 상호 간에 서로 다른 단일 금속 또는 상기 단일 금속들의 서로 다른 결합 구조로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 서로 다른 금속들의 결합 형태는 금속 합금 또는 금속 적층 구조를 갖는 결합 형태를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 단일 금속은 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 납(Pb), 및 금(Au) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 그래핀 광 전송선로의 중심선과 상기 금속 패드들 중 하나와의 거리를 상기 금속패드들 사이의 거리로 나눈 비율이 약 0.05 내지 약 0.4 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 그래핀 광 전송선로와 상기 그래핀 광검출기는 십(+)자 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광검출기는 그래핀 광 전송선로를 이용하여 광의 세기를 검출함으로써, 그래핀의 표면에 수평 방향으로 입사되는 광을 이용하여 광의 세기를 검출할 수 있다. 또한, 광검출기는 그래핀 광 전송선로를 이용함으로써, 추가적인 광 도파로 구조 없이도 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광검출기를 도시한 도면,
도 2a는 본 발명의 실시에에 따른 그래핀 광 전송선로에 수직 방향으로 위치한 전기 배선들을 도시한 도면,
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 광 전송선로에 평행 방향으로 위치한 전기 배선들을 도시한 도면,
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 광 전송선로의 광도파 원리를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 광검출기의 광신호 세기에 따른 광 검출 특성을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광검출기의 시간적 광신호 세기 변화에 따른 광검출기 특성을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광검출기를 도시한 도면,
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광검출기를 도시한 도면,
도 7b는 도 7a의 광검출기의 단면을 예시적으로 도시한 도면, 및
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광검출기에 게이트 바이어스를 인가하는 것을 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시에에 따른 그래핀 광 전송선로에 수직 방향으로 위치한 전기 배선들을 도시한 도면,
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 광 전송선로에 평행 방향으로 위치한 전기 배선들을 도시한 도면,
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 광 전송선로의 광도파 원리를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 광검출기의 광신호 세기에 따른 광 검출 특성을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광검출기의 시간적 광신호 세기 변화에 따른 광검출기 특성을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광검출기를 도시한 도면,
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광검출기를 도시한 도면,
도 7b는 도 7a의 광검출기의 단면을 예시적으로 도시한 도면, 및
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광검출기에 게이트 바이어스를 인가하는 것을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은 그래핀 광 전송선을 기반으로 그래핀 광 전송선로의 표면에 수평 방향으로부터 입사되는 광의 세기를 측정할 수 있는 광검출기를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광검출기의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광검출기(100)는 제 1 유전체층(110), 그래핀 광 전송선로(120), 그래핀 광검출기(130), 전기 배선들(140), 금속 패드들(150, 160), 및 제 2 유전체층(170)을 포함한다.
제 1 유전체층(110)은 폴리머, 유리, 석영, 실리콘 등으로 구성될 수 있다.
그래핀 광 전송선로(120)는 그래핀(graphene)으로 이루어진 얇은층을 나타내며, 제 1 유전체층(110) 상에서 길이 방향을 따라 형성된다. 예를 들어, 그래핀은 탄소 원자가 서로 연결되어 벌집 모양의 얇은 평면 구조를 이루는 물질로서 전기적인 특성을 갖는다. 탄소 원자들은 서로 연결되어 하나의 탄소 원자층을 이루고, 그래핀은 이러한 단층 또는 다층의 탄소 원자층으로 구성될 수 있다.
여기서, 그래핀 광 전송선로(120)는 단층의 그래핀층으로 이루어질 수 있고, 탄소 원자 1개의 두께와 동일할 수 있다. 탄소 원자는 6원환(pyranose(피라노오스))을 기본 단위로 갖고, 5원환(furanose(푸라노오스)) 또는 7원환(tropolone(트로폴론))으로 형성될 수도 있다.
그래핀 광검출기(130)는 그래핀 광 전송선로(120)와 동일한 그래핀 필름에서 동시에 제작된 하나로 구현될 수 있다. 그래핀 광검출기(130)는 전기 배선들(140)과 접점을 형성하는 부분을 나타낸다.
전기 배선들(140)은 그래핀 광검출기(130)의 상부에 위치하고, 제 1 금속 패드(150)와 제 2 금속 패드(160) 중 하나에 연결될 수 있다.
금속 패드들(150, 160)은 그래핀 광검출기(130)의 양 끝단 방향에 위치한다. 또는 금속 패드들(150, 160)은 그래핀 광 전송선로(120)의 길이 방향을 기준으로 양측면에 위치한다.
금속 패드들(150, 160)에는 전기 배선들(140)이 연결된다.
이러한 금속 패드들(150, 160)과 전기 배선들(140)은 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 납(Pb), 및 금(Au) 중 하나에 대응되는 단일 금속으로 구성되거나, 이러한 단일 금속들이 상호 간에 결합된 결합 구조, 예를 들어, 금속 합금 또는 금속 적층으로 구성될 수 있다.
이때, 금속 패드들(150, 160)과 전기 배선들(140)은 모두 동일한 금속 성분으로 구성될 수 있다. 즉, 금속 패드들(150, 160)과 전기 배선들(140)을 구성하는 금속이 모두 동일하거나, 금속들의 결합 구조(금속 합금 또는 금속 적층)가 모두 동일할 수 있다. 예를 들어, 금속 패드들(150, 160)과 전기 배선들(140)은 모두 크롬(Cr)으로 구성될 수 있다. 또한, 패드들(150, 160)과 전기 배선들(140)은 모두 크롬(Cr)과 티타늄(Ti)의 결합 구조로 구성될 수 있다.
이와 달리, 금속 패드들(150, 160)과 전기 배선들(140) 중 적어도 일부는 서로 다른 금속 성분으로 구성될 수 있다. 즉, 금속 패드들(150, 160)과 전기 배선들(140)을 구성하는 금속이 서로 상이하거나, 금속들의 결합 구조(금속 합금 또는 금속 적층)가 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속 패드(150)와 제 1 금속 패드(150)에 연결된 전기 배선들(140)이 금(Au)로 구성되고, 제 2 금속 패드(160)와 제 2 금속 패드(160)에 연결된 전기 배선들(140)이 납(Pb)로 구성될 수 있다. 또한, 제 1 금속 패드(150)와 제 1 금속 패드(150)에 연결된 전기 배선들(140)이 금(Au)과 티타늄(Ti)의 결합 구조로 구성되고, 제 2 금속 패드(160)와 제 2 금속 패드(160)에 연결된 전기 배선들(140)이 납(Pu)과 금(Au)의 결합 구조로 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 금속 패드들(150, 160)과 전기 배선들(140)이 서로 다른 단일 금속 또는 서로 다른 금속들의 결합 구조를 가지면, 외부의 전압 인가 없이도 광전류를 발생시킬 수 있다.
또한, 제 1 금속 패드(150)는 그래핀 광검출기(130)를 기준으로 일 측면에 위치하고, 플러스(+) 전극이 인가될 수 있다.
제 2 금속 패드(150)는 그래핀 광검출기(130)를 기준으로 제 1 금속 패드(150)와는 다른 측면에 위치하고, 마이너스(-) 전극이 인가될 수 있다.
제 2 유전체층(170)은 상기 그래핀 광 전송선로(120)의 상부에 위치하고, 제 1 유전체층(110)과 같이 폴리머, 유리, 석영, 실리콘 등으로 구성될 수 있다.
여기서, 입사광은 그래핀 광 전송선로(120)의 표면에 수평 방향(10)으로 입사된다.
이때, 그래핀 광 전송선로(120)를 따라 도파한 광은 그래핀 광검출기(130)와 전기 배선들(140) 사이에서 전자-홀 쌍을 발생시킨다. 여기서, 전자-홀 쌍은 금속패드들(150, 160)에 가해진 전압에 의해 이동하고, 광전류(102)를 발생시킨다. 일예로, 광전류(102)는 플러스(+) 전극이 인가되는 제 1 금속 패드(150)에 연결된 도선(101)을 통해 출력되는 입사광의 세기이다. 만약, 그래핀 광검출기(130)와 전기 배선들(140) 간의 접점 영역의 크기를 증가시키면 광전류의 크기가 증가된다.
이와 같이, 본 발명에서 제안된 광검출기(100)는 그래핀 광 전송선로(120)의 표면에 수직한 방향이 아닌 수평한 방향(10)에서 입사되는 광의 세기를 측정할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시에에 따른 그래핀 광 전송선로에 수직 방향으로 위치한 전기 배선들을 도시한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 그래핀 광 전송선로(120)의 길이 방향(또는, 광이 입사되는 방향(10)을 기준으로 전기 배선들(141, 142)이 수직 방향으로 배열된다. 전기 배선들(141, 142)은 금속으로 이루어질 수 있다.
제 1 전기 배선들(141)은 제 1 금속 패드(150)에 연결되고, 그래핀 광 전송선로(120)를 기준으로 수직 방향으로 배열된다.
제 2 전기 배선들(142)은 제 2 금속 패드(160)에 연결되고, 그래핀 광 전송선로(120)를 기준으로 수직 방향으로 배열된다.
제 1 전기 배선들(141)과 제 2 전기 배선들(142)은 그래핀 광검출기(130)의 상부에 위치하고, 그래핀 광검출기(130)와 접점 영역을 형성할 수 있다.
또한, 제 1 전기 배선들(141)과 제 2 전기 배선들(142)은 맞물린 전극 구조(interdigitated electrode structure)를 갖는다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 광 전송선로에 평행 방향으로 위치한 전기 배선들을 도시한 도면이다.
그래핀 광 전송선로(120)의 길이 방향(또는, 광이 입사되는 방향(10)을 기준으로 전기 배선들(145, 146)이 수평 방향으로 배열된다. 이를 위해, 광검출기(100)의 전기 배선들(145, 146)의 연결을 위한 기준 전기 배선들(143, 144)을 포함한다. 여기서도, 전기 배선들(143, 144, 145, 146)은 금속으로 이루어질 수 있다.
제 1 기준 전기 배선(143)은 제 1 금속 패드(150)에 연결되고, 제 2 기준 전기 배선(144)은 제 2 금속 패드(160)에 연결된다.
제 3 전기 배선들(145)은 제 1 기준 전기 배선(143)에 연결되고, 그래핀 광 전송선로(120)를 기준으로 수평 방향으로 배열된다.
제 4 전기 배선들(146)은 제 2 기준 전기 배선(144)에 연결되고, 그래핀 광 전송선로(120)를 기준으로 수평 방향으로 배열된다.
또한, 제 3 전기 배선들(145)과 제 4 전기 배선들(146)은 맞물린 전극 구조를 갖는다.
상술한 도 2a와 도 2b에서 전기 배선들(140)의 형태를 예시적으로 설명된 것으로 전기 배선들은 상술한 형태 이외의 다양한 형태를 가질 수 있다.
한편, 그래핀 광검출기(130)는 도 1과 같이 그래핀 광 전송선로(120)의 일부분으로 구현될 수도 있고, 도 2a와 도 2b와 같이 제 1 금속 패드(150)과 제 2 금속 패드(160)을 연결하는 형태로 구현될 수도 있다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 광 전송선로의 광도파 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a와 도 3b을 참조하면, 그래핀 광 전송선로(120)를 통해 전송되는 광신호의 흐름과 가이드 모드를 나타낸 것이다. 이러한, 그래핀 광 전송선로(120)를 형성하는 그래핀 스트립 내에는 자유 전자 분극(201)이 위치한다. 그래핀 스트립은 이러한 자유 전자 분극(201)을 복수개 포한한다. 이때, 그래핀 광 전송선로(120)의 광도파 원리를 살펴보면, 자유 전자 분극들의 상호적인 커플링을 통해 광신호가 전달된다. 이러한 자유 전자의 연속적인 커플링을 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polarition)이라고 한다. 표면 플라즈몬 폴라리톤 중 장거리 광 전송을 장주기 표면 플라즈몬 폴라리톤(long-range surface plasmon polariton)이라고 한다.
표면 플라즈몬(SP: Surface Plasmon)은 유전 상수의 실수항이 서로 반대부호를 갖는 경계면을 따라 구속되어 진행하는 전하밀도의 진동파일 수 있다. 표면 전하 밀도 진동은 종방향 표면 구속파를 형성할 수 있다. 종방향 표면 구속파는 입사파의 전기장 성분이 경게면에 수직한 성분으로 티엠 모드(TM mode: Transverse Magnetic) 모드만이 장거리 표면 플라즈몬 플라리톤을 여기(excitation) 및 도파시킬 수 있다. 예를 들어, 그래핀 광 전송선로(120)는 약 5나노미터(㎚) 내지 200㎚의 두께와 2마이크로미터(㎛) 내지 100㎛의 폭(width)을 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 광검출기의 광신호 세기에 따른 광 검출 특성을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 그래프의 가로축은 광 입력 파워(dBm)이고, 세로축은 광검출기에서 출력되는 광전류(㎂)이다. 그래프에는 입력되는 광 입력 파워에 따른 광 전류 변화(210)가 도시되어 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광검출기의 시간적 광신호 세기 변화에 따른 광검출기 특성을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 그래프의 가로축은 시간을 나타내고, 그래프의 세로축은 광전류를 나타낸다. 이때, 그래핀 광 전송선로(120)와 하나로 형성된 그래핀 광검출기(130)의 양 끝단에 형성된 제 1 금속 패드(150)와 제 2 금속 패드(160)에 전압을 인가하면 전류(Io)가 흐른다. 이때, 제 1 금속 패드(150)에는 플러스(+) 전극이 인가되고, 제 2 금속 패드(160)에는 마이너스(-) 전극이 인가된다. 도 1에 도시된 바와 같이 그래핀 광 전송선로(120)의 한 쪽면에서 광신호를 인가하면 광신호는 그래핀 광 전송선로(120)를 따라 전송되고, 그래핀 광검출기(130)에 도달한다.
광신호를 전달받은 그래핀 광검출기(130)의 내부에서는 전자-홀 상이 생성되고, 이를 통해, 광전류(Ip)가 생성된다. 결과적으로, 제 1 금속 패드(150)와 제 2 금속 패드(160) 사이에 흐르는 전류(I)는 'Io+ Ip'가 된다.
따라서, 그래핀 광검출기(130)에 입사된 광의 세기를 시간적으로 변화시켰을 때, 광전류(I)의 변화는 그래프에서 '220'과 같이 나타날 수 있다.
상술한 바와 같이, 금속 패드들(150, 160)과 전기 배선들(140) 중 적어도 일부는 서로 다른 금속 성분으로 구성될 수 있다. 즉, 금속 패드들(150, 160)과 전기 배선들(140)을 구성하는 금속이 서로 상이하거나, 금속들의 결합 구조(금속 합금 또는 금속 적층)가 서로 상이할 수 있다
예를 들어, 제 1 금속 패드(150)와 제 1 금속 패드에 연결된 전기 배선들(140)이 금(Au)(또는, 티타늄(Ti)과 금(Au)의 결합 형태)로 구성되고, 제 2 금속 패드(160)와 제 2 금속 패드에 연결된 전기 배선들(140)이 납(Pb)(또는 납(Pb)과 금(Au)의 결합 형태)로 구성될 수 있다. 이때, Io는 0이 될 수 있다.
한편, 그래핀 광검출기(130)를 통과한 광신호는 그래핀 광 전송선로(120)를 따라서 더 진행한다.
이를 통해, 광신호 전송을 위한 그래핀 광 전송선로(120)와 광신호 검출을 위한 그래핀 광검출기(130)가 일체화된 광검출기(100)를 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광검출기를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 광검출기(300)는 제 1 유전체층(310), 그래핀 광 전송선로(320), 그래핀 광검출기(330), 금속 패드들(340, 350), 및 제 2 유전체층(360)을 포함한다. 여기서, 입사광은 그래핀 광 전송선로(320)의 표면에 수평 방향(20)으로 입사된다.
도 6의 광검출기(300)는 도 1에 도시된 광검출기(100)에서 전기 배선들(140)을 포함하지 않는 구조를 갖는다. 또한, 그래핀 광 전송선로(320)와 그래핀 광검출기(330)는 십(+)자 형태로 구현되어 있다.
이러한 차이점을 제외하면, 도 6의 광검출기(300)는 도 1의 광검출기(100)와 전반적으로 유사한 구조를 갖는다. 따라서, 광검출기(300)의 구성 요소들에 대한 상세한 설명은 도 1을 참조하기로 한다.
이때, 그래핀 광검출기(330)의 양 끝단에 위치한 금속 패드들(340, 350) 사이의 거리 X와 그래핀 광 전송선로(320)의 중심선(y)과 금속 패드(340 또는 350) 사이에 위치한 거리 x의 비율이 중요하다. 그래핀 광 전송선로(320)의 중심선(y)과 제 1 금속 패드(340)(또는 제 2 금속 패드(350)) 사이의 거리를 금속 패드들(340, 350) 사이의 거리 X로 나눈 비율(x/X)이 약 0.05 내지 약 0.4 사이(약 0.05 이상 약 0.4 이하)의 값을 가져야 한다.
여기서도, 제 1 금속 패드(340)에는 플러스(+) 전극이 인가되고, 제 2 금속 패드(350)에는 마이너스 전극(-)이 인가된다. 이때, 광전류(302)는 플러스(+) 전극이 인가되는 제 1 금속 패드(340)에 연결된 도선(301)을 통해 출력되는 입사광의 세기이다.
한편, 금속 패드들(150, 160) 은 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 납(Pb), 및 금(Au) 중 하나에 대응되는 단일 금속으로 구성되거나, 이러한 단일 금속들이 상호 간에 결합된 결합 구조, 예를 들어, 금속 합금 또는 금속 적층으로 구성될 수 있다.
이때, 금속 패드들(150, 160)은 모두 동일한 금속 성분으로 구성될 수 있다. 즉, 금속 패드들(150, 160)을 구성하는 금속이 모두 동일하거나, 금속들의 결합 구조(금속 합금 도는 금속 적층)가 모두 동일할 수 있다.
이와 달리, 금속 패드들(150, 160)은 서로 다른 금속 성분으로 구성될 수 있다. 즉, 제 1 금속 패드(150)와 제 2 금속 패드(160)를 구성하는 금속이 서로 상이하거나, 금속들의 결합 구조(금속 합금 또는 금속 적층)가 서로 상이할 수 있다. 여기서도, 제 1 금속 패드(150)와 제 2 금속 패드(160)가 서로 다른 단일 금속 또는 서로 다른 금속들의 결합 구조를 가지면, 외부의 전압 인가 없이도 광전류를 발생시킬 수 있다.
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광검출기를 도시한 도면이다.
도 7a를 참조하면, 광검출기(400)는 제 1 유전체층(410), 그래핀 광 전송선로(420), 그래핀 광검출기(430), 전기 배선들(440), 금속 패드들(450, 460), 제 2 유전체층(470), 및 중간 유전체층(480)을 포함한다. 여기서, 입사광은 그래핀 광 전송선로(420)의 표면에 수평 방향(30)으로 입사된다.
도 7a의 광검출기(400)는 도 1에 도시된 광검출기(100)에 비해 제 1 유전체층(410)과 제 2 유전체층(470) 사이에 중간 유전체층(480)을 추가로 포함한다. 또한, 그래핀 광 전송선로(420)와 그래핀 광검출기(430)는 중간 유전체층(480)을 기준으로 분리되어 구현되어 있고, 그래핀 광 전송선로(420)와 그래핀 광검출기(430)는 십(+)자 형태로 구현되어 있다.
이러한 차이점을 제외하면, 도 7a의 광검출기(400)는 도 1의 광검출기(100)와 전반적으로 유사한 구조를 갖는다. 따라서, 광검출기(400)의 구성 요소들에 대한 상세한 설명은 도 1을 참조하기로 한다.
여기서, 중간 유전체(480)는 독립적인 이온을 공급할 수 있는 이온화된 젤(Ionized Gel)로 구성될 수 있다.
여기서도, 제 1 금속 패드(450)에는 플러스(+) 전극이 인가되고, 제 2 금속 패드(460)에는 마이너스 전극(-)이 인가된다. 이때, 광전류(402)는 플러스(+) 전극이 인가되는 제 1 금속 패드(450)에 연결된 도선(401)을 통해 출력되는 입사광의 세기이다.
도 7b는 도 7a의 광검출기의 단면을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 7b를 참조하면, 도 7a에 도시된 z 평면을 기준으로 하는 광검출기(400)의 단면을 나타내고 있다. 광검출기(400)의 하단에 제 1 유전체층(410)이 위치한다.
제 1 유전체층(410)의 상단에 그래핀 광 전송선로(420)가 위치하고 있으며, 그 위에 중간 유전체층(480)이 위치한다.
중간 유전체층(480)의 상단에 그래핀 광검출기(430)가 위치하고 있으며, 그래핀 광검출기(430)의 양 끝부분에 제 1 금속 패드(450)과 제 2 금속 패드(460)이 위치하고 있다.
또한, 중간 유전체층(480), 그래핀 광검출기(430), 및 금속 패드들(450, 460)의 상단에 제 2 유전체층(470)이 위치한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광검출기에 게이트 바이어스를 인가하는 것을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 광검출기(500)는 제 1 유전체층(510), 그래핀 광 전송선로(520), 그래핀 광검출기(530), 전기 배선들(540), 금속 패드들(550, 560), 제 2 유전체층(570), 중간 유전체층(580), 및 바이어스부(590)를 포함한다. 여기서, 입사광은 그래핀 광 전송선로(520)의 표면에 수평 방향(40)으로 입사된다.
도 8의 광검출기(800)는 도 7a와 도 7b에 도시된 광검출기(400)에 비해 바이어스부(590)를 추가로 포함한다.
이러한 차이점을 제외하면, 도 8의 광검출기(500)는 도 7a와 도 7b의 광검출기(400)와 전반적으로 유사한 구조를 갖는다. 따라서, 광검출기(500)의 구성 요소들에 대한 상세한 설명은 도 7a와 도 7b를 참조하기로 한다.
바이어스부(590)는 그래핀 광 전송선로(520)와 제 1 금속 패드(550) 사이에 게이트 바이어스 전압(Vg)를 인가한다. 이를 통해, 바이어스부(590)는 광검출기(500)에서 생성되는 광전류의 크기를 증가시킬 수 있다. 즉, 게이트 바이어스 전압(Vg)에 의해 광검출기(500)의 캐리어 밀도(carrier density)가 증가함에 따라 생성되는 광전류의 크기도 증가하게 된다.
여기서도, 제 1 금속 패드(550)에는 플러스(+) 전극이 인가되고, 제 2 금속 패드(560)에는 마이너스 전극(-)이 인가된다. 이때, 광전류(502)는 플러스(+) 전극이 인가되는 제 1 금속 패드(550)에 연결된 도선(501)을 통해 출력되는 입사광의 세기이다.
이를 통해, 본 발명에서 제안된 광검출기는 광이 그래핀 광 전송선로의 표면에 수평 방향으로 입사되더라도 광신호의 세기를 검출할 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안된 광검출기는 고비용의 광 도파로 구조 등을 추가적으로 필요로 하지 않는다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 300, 400, 500: 광검출기
110, 170, 310, 360, 410, 470, 510, 570: 유전체층들
120, 320, 420, 520: 그래핀 광 전송선로들
130, 330, 430, 530: 그래핀 광검출기들
140, 440, 540: 전기 배선들
150, 160, 340, 350, 450, 460, 550, 560: 금속 패드들
480, 580: 중간 유전체층 590: 바이어스부
101, 301, 401, 501: 도선들
110, 170, 310, 360, 410, 470, 510, 570: 유전체층들
120, 320, 420, 520: 그래핀 광 전송선로들
130, 330, 430, 530: 그래핀 광검출기들
140, 440, 540: 전기 배선들
150, 160, 340, 350, 450, 460, 550, 560: 금속 패드들
480, 580: 중간 유전체층 590: 바이어스부
101, 301, 401, 501: 도선들
Claims (20)
- 제 1 유전체층;
상기 제 1 유전체층의 상부에 형성된 그래핀 광 전송선로;
상기 제 1 유전체층의 상부에 형성되고, 상기 그래핀 광 전송선로를 따라 전송되는 광을 검출하는 그래핀 광검출기;
상기 그래핀 광검출기 상부에 형성된 전기 배선들;
상기 그래핀 광검출기의 양 끝단에 위치하고, 상기 전기 배선들이 연결되는 금속 패드들; 및
상기 그래핀 광 전송선로의 상부에 형성된 제 2 유전체층을 포함하고,
상기 그래핀 광검출기는 상기 그래핀 광 전송선로의 표면에 수평 방향으로 입사되는 광의 세기를 검출하는 것을 특징으로 하는 광검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 패드들은
상기 그래핀 광검출기를 기준으로 일 측면에 위치하고, 플러스 전극이 인가되는 제 1 금속 패드; 및
상기 그래핀 광검출기를 기준으로 다른 측면에 위치하고, 마이너스 전극이 인가되는 제 2 금속 패드를 포함하는 광검출기. - 제 2 항에 있어서,
상기 광검출기는
상기 제 1 금속 패드와 상기 그래핀 광 전송선로에 각각 연결되어 게이트 바이어스 전압을 인가하는 바이어스부를 더 포함하는 광검출기. - 제 2 항에 있어서,
상기 전기 배선들은
상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 수직 방향으로 위치하고, 상기 제 1 금속 패드에 연결되는 제 1 전기 배선들; 및
상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 수직 방향으로 위치하고, 상기 제 2 금속 패드 에 연결되는 제 2 전기 배선들을 포함하는 광검출기. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 전기 배선들과 상기 제 2 전기 배선들은 상호 간에 일정 간격을 기준으로 맞물린 전극 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광검출기. - 제 2 항에 있어서,
상기 전기 배선들은
그래핀 광 전송선로를 기준으로 수직 방향으로 위치하고, 상기 제 1 금속 패드에 연결된 제 1 기준 전기 배선;
상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 수직 방향으로 위치하고, 상기 제 2 금속 패드에 연결된 제 2 기준 전기 배선;
상기 제 1 기준 전기 배선에 연결되고, 상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 수평 방향으로 위치하는 제 1 전기 배선들; 및
상기 제 2 기준 전기 배선에 연결되고, 상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 수평 방향으로 위치하는 제 2 전기 배선들을 포함하는 광검출기. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 전기 배선들과 상기 제 2 전기 배선들은 상호 간에 일정 간격을 기준으로 맞물린 전극 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광검출기. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 금속 패드와 상기 제 1 금속 패드에 연결된 전기 배선들과, 상기 제 2 금속 패드와 상기 제 2 금속 패드에 연결된 전기 배선들은 상호 간에 서로 다른 단일 금속 또는 상기 단일 금속들의 서로 다른 결합 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 8 항에 있어서,
상기 서로 다른 금속들의 결합 형태는 금속 합금 또는 금속 적층 구조를 갖는 결합 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 8 항에 있어서,
상기 단일 금속은 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 납(Pb), 및 금(Au) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 광 전송선로와 상기 그래핀 광검출기는 동일한 그래핀 필름에서 동시에 제작된 것을 특징으로 하는 광검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 광검출기는 상기 그래핀 광 전송선로와 일정 간격 이격되고, 상기 그래핀 광 전송선로와 상호 간에 십(+)자 형태로 교차되고, 상기 금속 패드들 사이를 연결하는 것을 특징으로 하는 광검출기. - 제 12 항에 있어서,
상기 광검출기는
상기 그래핀 광검출기와 상기 그래핀 광 전송선로 사이에 위치한 중간 유전체층을 더 포함하는 광검출기. - 제 1 유전체층;
상기 제 1 유전체층의 상부에 형성된 그래핀 광 전송선로;
상기 제 1 유전체층의 상부에 형성되고, 상기 그래핀 광 전송선로를 따라 전송되는 광을 검출하는 그래핀 광검출기;
상기 그래핀 광검출기의 양 끝단에 위치하고, 상기 그래핀 광검출기를 통해 연결되는 금속 패드들; 및
상기 그래핀 광 전송선로의 상부에 형성된 제 2 유전체층을 포함하고,
상기 그래핀 광검출기는 상기 그래핀 광 전송선로의 표면에 수평 방향으로 입사되는 광의 세기를 검출하는 것을 특징으로 하는 광검출기. - 제 14 항에 있어서,
상기 금속 패드들은
상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 측면에 위치하고, 플러스 전극이 인가되는 제 1 금속 패드; 및
상기 그래핀 광 전송선로를 기준으로 다른 측면에 위치하고, 마이너스 전극이 인가되는 제 2 금속 패드를 포함하는 광검출기. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 금속 패드와 상기 제 2 금속 패드는 상호 간에 서로 다른 단일 금속 또는 상기 단일 금속들의 서로 다른 결합 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 16 항에 있어서,
상기 서로 다른 금속들의 결합 형태는 금속 합금 또는 금속 적층 구조를 갖는 결합 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 16 항에 있어서,
상기 단일 금속은 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 납(Pb), 및 금(Au) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출기. - 제 14 항에 있어서,
상기 그래핀 광 전송선로의 중심선과 상기 금속 패드들 중 하나와의 거리를 상기 금속패드들 사이의 거리로 나눈 비율이 약 0.05 내지 약 0.4 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 광검출기. - 제 14 항에 있어서,
상기 그래핀 광 전송선로와 상기 그래핀 광검출기는 십(+)자 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 광검출기.
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